營房數字化系統文物保護模塊的設計與研究

萬華營

【摘 要】我國軍隊建筑遺產中存在著多類具有特殊文化價值的建筑遺產，但是由于基礎管理工作薄弱、技術人才缺乏等原因，保護軍隊營區不可移動文物面臨這巨大的困難，為此，本文對營房數字化系統文物保護模塊進行設計研究，以期加強我軍保護軍隊營區不可移動文物的能力，推動軍隊營區文物保護的規范化、法制化管理進程。

【關鍵詞】營區文物保護 營房數字化系統 設計研究

我軍具有保護文化遺產的優良傳統，早在戰爭時期，我軍就把保護文物古跡作為一項重要工作；建國后，特別是在文革期間和經濟高速發展快速實現“城市化”的過程中對建筑遺產保護帶來的巨大沖擊中，部隊利用營區封閉管理的特點，受外界擾動小，使保存文物古跡免遭毀壞，為文物古跡的安全傳承做出了重要貢獻。然而由于當前我軍軍隊營區文物管理中存在有基礎工作薄弱、技術人才缺乏等諸多問題，開展基礎工程戰略面臨著巨大的困難和挑戰。

1 系統模塊的架構設計

采用信息化手段，通過建立數字化營房管理系統文物保護模塊，可以有效實現對全軍營區內文物的高效、精細化管理，同時全面提升部隊對營區內文化遺產保護的能力。文物保護模塊架構分三層設計，即：基礎支撐層、數據支持層和應用系統層。

1.1 文保中心數據庫建設

文保中心數據庫建設包括系統運行數據庫、基礎地理信息數據庫、點云數據庫、三維模型數據庫、正射影像數據庫、二維圖形數據庫、圖像數據庫、文字資料數據庫、應用專題數據庫等，對異構異源的文物信息進行統一存儲和管理。如圖1所示。

系統運行數據庫：系統運行數據庫包含了系統運行所需的所有表、視圖、存儲過程等。

基礎地理信息數據庫：主要包括衛星影像、航空照片、矢量地圖等。

點云數據庫：利用三維激光掃描技術對不可移動文物進行全方位的掃描，以點云的形式描述該物體。

三維模型數據庫：包括建筑、院墻、牌坊、廊廡、碑刻及細部結構的三維模型及三維場景數據。

聲像信息數據庫：主要存放歷史視頻、聲音、動畫等流媒體資料。

文字資料數據庫：包括實物數據指標、屬性描述信息、歷史沿革、文獻資料、調查研究報告、工程管理資料（招投標、監理、驗收等管理資料）、使用信息（使用單位情況、開放經營狀況、觀眾、收入數據等）；法規信息：調查記錄、鑒定評估、保護級別、保護范圍及建設控制地帶等文書；保護人員、保護機構等文書；保護規劃、保護法規等文書；相關建設工程的審批等文書。

圖像數據庫：包括實物拍攝照片、實測圖、歷史照片等圖像數據。

二維矢量數據庫：包括各種數字CAD線劃圖、工程設計圖、地形圖、工程地質圖、正射影像數據等。

應用專題數據庫：專題符號數據、使用數據、營區數據等。

1.2 不可移動文物三維數據采集及后期處理

（1）前期規劃。掃描工作開始前，掃描人員先要踏勘現場；并根據現場情況布設控制網，保證相鄰站點數據掃描在同一控制網內至少存在3個以上公共控制點；設置掃描站點并在規劃圖上標記，最終編制出臺采集方案。

（2）現場掃描。依據采集方案設置的掃描站點架設三維激光掃描儀；在掃描對象上安置或粘貼靶標；通過三維激光掃描儀掃描控制軟件設置掃描參數；記錄掃描日志，做好現場注釋；掃描儀完成單站掃描后即可生成該站點的三維點云數據，將儀器移至下一站點開始掃描工作；對于點云預處理過程中無法拼接的點云數據，需要再到現場補充掃描。

（3）數據預處理。數據預處理前需要將掃描的點云數據導出至數據處理工作站上，然后通過專業點云預處理軟件，對點云數據做去噪與平滑、配準拼接、數據精簡等預處理工序后，生成的完整點云數據可用于三維建模等后處理工作。

（4）數據后處理。1）三角網模型。以點云數據為基礎，通過將設定距離值內每相鄰三點構成一個平面的方式，軟件能夠自動建立起被測物體的三角網模型。2）三維模型。經過點云預處理工序之后的點云數據，在建立三維模型前需要先將建模對象的點云數據分割出來，之后通過3dmax、maya等專業三維建模軟件，由建模人員根據點云形狀手工建模、材質編輯、紋理貼圖。3）數字正射影像。數字正射影像是一種既具有像片影像特征同時又具有線劃地圖數學、幾何與制圖特征的圖種，基于原始彩色點云數據和建好的三維模型數據，經過影像配準后便制作成正射影像，改進了傳統數字正射影像制作的手段，向用戶展示一個完全的實景彩色圖像。4）二維矢量圖。利用掃描點云數據和建好的三維模型數據，可以通過CAD專業繪圖軟件生成不可移動文物及其構件任意角度的平面圖、立面圖、剖面圖、等值線圖等，為文物測量、修繕、改建、重建提供專業的圖形資料。

2 數據管理系統

主要功能包括：點云數據管理、模型數據管理、聲像數據管理、二維圖像數據管理、二維圖形數據管理、文字資料管理和專題數據管理的軟件，以實現不可移動文物信息的輸入輸出、查詢統計、質量檢查、數據更新、安全管理以及歷史數據管理。

點云數據管理：將點云數據上傳至點云數據庫中，可按日期、點云名稱查詢檢索點云數據，并提供點云數據更新操作功能。

模型數據管理：提供單個三維模型的上傳、查詢、瀏覽功能。

聲像數據管理：對部分采用聲音、視頻形式的不可移動文物資料提供上傳與更新。

二維圖形數據管理：提供不可移動文物的立面圖、剖面圖、正視圖、俯視圖、透視圖等二維圖形的上傳、更新管理功能。

二維圖像數據管理：提供不可移動文物圖片數據的管理功能。

文字資料管理：提供不可移動文物的文字、歷史資料管理功能。

專題資料管理：提供不可移動文物修繕、維護、應用、研究專題數據的存儲、查詢、預覽和更新的管理功能。

3 關鍵技術及解決途徑

3.1 地面三維激光掃描測量子系統關鍵技術及集成

研究固定球公共點轉換方法、改進ICP算法和測量設備絕對定位方法解決多站掃描數據配準技術問題；改進綜合Fuzzy·c-means（FCM）算法、ICP算法、Chen-Medioni算法、Procrustes方法、最小二乘方法等技術對海量點云數據進行處理，提高海量點云數據匹配的準確度、可信度和效率，為被掃描對象實體提供有效高分辨率基礎數據。對三維激光掃描儀、數碼相機、衛星定位終端等測量硬件設施，研究其硬件接口控制指令和數據傳輸格式，通過硬件接口控制數據傳輸底層軟件編程實現衛星定位數據、數碼相機圖像數據、三維激光掃描點云數據的坐標轉換的一致性關聯。

3.2 海量地理相關數據的處理、融合、管理技術

系統數據來源自三維激光掃描、數碼拍攝圖像、原有GIS數據、設計與施工資料及其他系統數據，格式、結構、屬性區別較大，在國標、軍標基礎上，研究專用的數據交換格式，對各類數據進行規范化過濾與整合。應用地理信息系統的混合數據結構與一體化數據結構前沿技術，以及面向對象技術，解決柵格/矢量數據的融合問題。系統信息種類龐雜，數據海量，應用系統的文件和數據庫技術無法進行組織管理。以數據文件、數據庫、面向對象技術為基礎，建立大比例尺三維空間數據庫管理系統；以格網或四叉樹為基礎，構建空間索引，可有效解決系統海量數據的組織管理問題。

3.3 三維建模仿真技術

軍隊建筑遺產現場地形、地物及其內部結構很復雜，對其三維建模是場景顯示的基礎。對于地形，數字高程模型（DEM）的兩種表達方式矩形格網（Grid）和地形三角網TIN混合建模進行解決。對于地物及其內部結構，主要應用三維激光掃描點云數據和地物設計或施工數據，開發相應的建模工具或開發模型導入接口軟件，將3D Max、VIZ等商業建模軟件中建好的模型導入主系統，以此解決建（構）筑物（群）及其內部結構的建模問題。

3.4 大規模復雜場景實時虛擬漫游技術

三維場景景觀模型建立后，對這些模型的有效管理是進行實時渲染、交互漫游甚至空間分析的基礎。常見的文件方式有2D GIS附加圖像文件、關系數據庫甚至對象關系數據庫來進行各類三維數據的管理，但因其自身關系模型的限制，在表達三維模型的組織結構、模型間的復雜關系時顯得力不從心。由于軍隊不可移動文物大規模場景景觀所涉及的實體類型豐富、數據種類較多、空間結構復雜、數據量大等特點，采用面向對象的結構化場景數據管理方式，能體現建模實體所固有的空間特性，并能有效實現大場景數據管理。有向無環樹狀場景圖數據管理模式，采用樹狀層次結構來體現場景的組合關系和層次關系，這種分層結構既可以使用自頂向下的方法將一個模型對象分解，也可以使用自底向上的構造方法重構一個模型對象，因而能較好地描述軍隊建筑遺產現場場景的組織結構，適合在虛擬漫游時按視點對場景進行動態的視景體提取和地形地物的動態簡化，提高系統渲染速度，滿足實時交互漫游要求，并能高效實現場景的切換和“沉浸式、高臨場感”漫游。

3.5 三維場景空間分析技術

三維空間分析相對于二維來說更加復雜，首先要通過坐標系統轉換運算，將二維平面所顯示三維場景中所選中的三維坐標求解出來，然后才能進行基本的三維空間地理因子運算，如坡度、距離、面積等。結合軍隊建筑遺產專題，對各種地理因素進行分析。

4 結語

建立營房數字化管理系統的文保模塊有利于加強營區內文物的建檔入庫實現文物的數字化留存保護，強化管理職能對營區內文物遺址等的維護修繕實現專業化、精細化。在營房數字化系統中建立軍隊營區文物保護模塊有利于推動軍隊營區文物保護的規范化、法制化管理進程，最終實現對軍隊營區文物文物的長遠保護。